W naszej ofercie znajdziecie Państwo elipsometry:

 

Elipsometria jest techniką optyczną do badania właściwości dielektrycznych (kompleksu współczynnika załamania światła lub funkcji dielektrycznej) cienkich warstw. Elipsometria mierzy zmiany polaryzacji w momencie odbicia lub transmitancji i porównuje je do modelu.

Można ją stosować do scharakteryzowania składu, chropowatości, grucić elektrycznej i innych właściwości materiałów. Jest to bardzo czuła na zmiany w odpowiedzi optycznej padającego promieniowania, które oddziałuje z materiałem badanym.

Spektroskopowe elipsometry można znaleźć w większości laboratoriów analitycznych badających cienkie warstwy. Elipsometria staje się również coraz bardziej interesująca dla naukowców z innych dziedzin, takich jak biologia i medycyna. Obszary te stanowią nowe wyzwania dla techniki, takie jak pomiary na powierzchniach niestabilnych płynnych i obrazowania mikroskopowego.

Etymologia

Nazwa „elipsometria” wywodzi się z tego, że stosowana jest eliptyczna polaryzacja światła. Określenie „spektroskopowej” odnosi się do faktu, że informacje uzyskane są funkcją długości fali energii świetlnych lub energii (widma). Technika ta jest znana co najmniej od 1888 roku w oparciu o prace Paul Drude, (termin „elipsometria” został użyty po raz pierwszy prawdopodobnie w 1945 roku) i ma dzisiaj wiele zastosowań.

Podstawowe zasady

Zmierzony sygnał jest zmiana polaryzacji padającego promieniowania (w znanym stanie) oddziałuje ono ze strukturą materiału badanego (odbitego, wchłaniane, rozproszone, lub przekazane). Zmiana polaryzacji jest definiowana przez stosunek amplitudy, Ψ oraz różnicy fazowej, Δ. Ponieważ sygnał zależy od jego grubości, jak również jak od właściwości materiałów, elipsometria może być uniwersalnym narzędziem do określenia grubości i optycznych stałych warstw każdego rodzaju.

Po analizie zmiany polaryzacji światła, elipsometria może dostarczyć informacji o warstwach, które są cieńsze niż długość fali samego światła próbkującego, aż do jednej warstwy atomów. Dzięki elipsometrii można wyznaczyć współczynnik załamania światła oraz tensor funkcji dielektryka, który daje dostęp do podstawowych parametrów fizycznych, takich jak te wymienione powyżej. Jest ona powszechnie stosowana w celu scharakteryzowania grubość powłoki dla pojedynczych warstw lub złożonych wielowarstwowych stosów od kilku nanometrów lub dziesiątych nanometra do kilku mikrometrów z doskonałą dokładnością.

Dane doświadczalne

Zazwyczaj elipsometria jest wykonywana tylko w konfiguracji odbicia. Dokładny charakter zmiany polaryzacji jest określony przez właściwości próbki (grubość, współczynnika załamania etc.). Chociaż techniki optyczne są z natury ograniczone przez dyfrakcję, elipsometria wykorzystuje informacje fazowe (stan polaryzacji) i może osiągnąć rozdzielczość sub-nanometrów. W swojej najprostszej formie, techniką jest stosowana dla cienkich warstw o grubości mniejszej niż nanometr do kilku mikrometrów. Wiele modeli zakłada, że próbka składa się z niewielkiej liczby oddzielnych i dobrze określonych warstw optycznie jednorodnych i izotropowych. Naruszenie tego założenia wymaga bardziej zaawansowanych wariantów techniki.

Metody elipsometrii zanurzania lub wielokątowej stosowane są do znalezienia stałych optycznych materiału o szorstkiej powierzchni próbki lub obecności niejednorodnego nośnika. Nowe podejście metodologiczne umożliwiaja korzystanie z odbiciowej elipsometrii do pomiaru właściwości fizycznych i charakterystyki technicznej elementów gradientu w przypadku, gdy warstwa jest niejednorodna.

Konfiguracja eksperymentu

Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane jest przez źródło światła i zostaje spolaryzowane liniowo przez polaryzator. Może przechodzić przez opcjonalny kompensator, następnie pada na próbkę. Po odbiciu promieniowania przechodzi przez kompensator (opcjonalnie) oraz drugi polaryzator, który jest nazywany analizatorem i wpada do detektora. Zamiast kompensatorów niektóre elipsometry stosują modulator na padającej wiązki światła. Elipsometria jest zwierciadlaną techniką optyczną (kąt padania jest równy kątowi odbicia). Światło, które jest spolaryzowane równolegle do tej płaszczyzny jest nazwany p spolaryzowanym. Prostopadły kierunek polaryzacji jest określany jako s-spolaryzowany. „S” jest wkładem z niemieckiego „senkrecht” (prostopadle).

Akwizycja danych

Elipsometria mierzy współczynnik odbicia ρ układu, który może być sparametryzowany przez składnik amplitudy Ψ oraz przesunięcie fazowe Δ. Stan polaryzacji światła padającego na próbkę może być rozłożona na składniki S i P (S składnik oscylacyjny prostopadły do płaszczyzny padania i równoległy do powierzchni próbki, a składnik p waha się równolegle do płaszczyzny padania ). Amplitudy s i p składowych, po odbiciu i znormalizowaniu do początkowej wartości są oznaczone rs i rp, odpowiednio. Kąt padania jest wybierany blisko kąta Brewstera dla próbki, aby uzyskac maksymalną różnicę między rp i rs.

Zatem tan Ψ jest to stosunek amplitudy po odbiciu, a Δ jest przesunięciem fazowym (różnicą). (Należy zauważyć, że prawa strona równania jest po prostu innym sposobem oznaczenia liczby zespolonej). Ponieważ elipsometria jest pomiarem współczynnika (lub różnicy) dwóch wartości (a nie bezwzględną wartością), jest ona dokładna i powtarzalna. Na przykład, jest stosunkowo niewrażliwa na rozproszenie i wahania, oraz nie wymaga żadnej próbki wzorcowej lub wiązki odniesienia.

Analiza danych

Elipsometria jest metodą pośrednią, czyli zmierzonych Ψ i Δ nie można przekształcić bezpośrednio do stałych optycznych próbki. Musi zostać wykonana analiza modelu. Modele mogą mieć podstawy fizyczne   odnośnie przejść energii lub po prostu stosować wolne parametry w celu dopasowania danych. Odnośnie tworzeniu modelu dla danych prowadzone są całe kursy.

Bezpośrednia inwersja Ψ i Δ jest możliwa tylko w bardzo prostych przypadkach izotropowych, jednorodnych i nieskończenie grubych warstw. We wszystkich innych przypadkach należy stworzyć model warstwy, który zawiera stałe optyczne (współczynnik załamania światła lub tensor funkcji dielektrycznej) oraz parametry grubości wszystkich warstw próbki wraz z ich właściwą kolejnością. Stosując procedurę iteracyjną nieznane stałe optyczne i/lub parametry grubości są zróżnicowane, oraz Ψ i Δ wartości są obliczone na podstawie równania Fresnela. Obliczone wartości Ψ i Δ, które odpowiadają dane eksperymentalne dają najlepsze zapewnienie stałych parametrów optycznych i parametrów grubości próbki.

Definicje

Nowoczesne elipsometry są kompleksowymi instrumentami, które zawierają szeroką gamę źródeł promieniowania, czujniki, elektronikę cyfrową i oprogramowanie. Zakres długości fali stosowanego jest znacznie przekraczające to co jest widzialne, czyli tak ściśle nie są to już przyrządy optyczne.

Elipsometria pojedynczej fali vs. Elipsometria spektroskopowa

Elipsomettria pojedynczej fali wykorzystuje monochromatyczne źródła światła. Jest to zwykle laser w zakresie promieniowania widzialnego obszaru widma, na przykład, laser HeNe o długości fali 632.8 nm. Dlatego jest również nazywana elipsometrią laserową. Zaletą jest to, że w elipsometrii laserowej wiązki laserowe mogą zostać skupione na małej wielkości plamce. Ponadto, lasery mają większą moc niż szerokie źródła światła. W związku z tym, elipsometyria laserowa może być stosowana do obrazowania. Jednak wynik eksperymentalny jest ograniczony do jednego zestawu Ψ i Δ wartości na pomiar. Elipsometria spektroskopowa (SE) wykorzystuje szerokie pasmo źródła światła, które obejmują pewien zakres widma w podczerwieni, światła widzialnego lub ultrafioletu. Dzięki temu mozna otrzymać złożony współczynnik załamania światła lub tensor funkcji diektryka, które umożliwiają dostęp do dużej liczby podstawowych właściwości fizycznych. Elipsometria spektroskopowa w podczerwieni (IRSE) może badać fonony orazwłaściwości wolnych nośników (plazmony). Elipsometria spektroskopowa w bliskiej podczerwieni, zakresie widzialnym do ultrafioletu służy do badania współczynnika załamania światła w zakresie przejrzystości i poniżej pasma wzbronionego i właściwości elektronicznych.

Standardowa vs uogólniona elipsometria (anizotropia)

Elipsometria standardowa (lub tylko krótko „elipsometria”) jest stosowana, gdy  światło spolaryzowane s nie jest przekształcane w p spolaryzowane światło ani vice versa. Jest to przypadek próbki optycznie izotropowej, na przykład amorficznych albo krystalicznych materiałów z sześcienną strukturą kryształu. Standardowa elipsometria jest wystarczająca dla próbek optycznie jednoosiowych w szczególnym przypadku, gdy oś optyczna jest ustawiona równolegle do normalnej powierzchni. We wszystkich innych przypadkach, gdy światło spolaryzowane s jest przekształcane p spolaryzowane światło i/lub odwrotnie, należy zastosować uogólnione podejście elipsometrii. Przykładami są arbitralnie wyrównane, optycznie jednoosiowe próbki lub próbki optycznie dwuosiowe.

Macierz Jonesa vs Muellera (depolaryzacji)

Istnieją zazwyczaj dwa różne sposoby matematycznego opisania jak fala elektromagnetyczna współdziała z elementami elipsometru (w tym próbki): Macierz Jonesa i formalizm macierzy Mueller. W macierzy Jonesa, fala elektromagnetyczna jest opisany przez wektor Jonesa z dwóch prostopadłych zespolonych pozycji w polu elektrycznym, a efekt który ma element optyczny opisany jest w wartościach zespolonych macierzy Jonesa 2×2. W macierzy Muellera fala elektromagnetyczna jest opisana przez wektory Stokesa z czterech wartościach rzeczywistych, oraz ich transformacja opisana jest przez wartości rzeczywiste macierzy 4×4. Gdy nie dochodzi do depolaryzacji oba formalizmy są w pełni spójne. W związku z tym, w przypadku próbek niedepolaryzujących, prostsza macierz Jones jest wystarczająca. Jeśli depolaryzacja występuje macierzy Muellera powinna być stosowana, gdyż  podaje także wartość depolaryzacji. Przyczynami depolaryzacji są, na przykład: odbicia wsteczne z przezroczystego podłoża.

Zaawansowane metody eksperymentalne

Elipsometria obrazująca

Elipsometria może być również stosowana jako elipsometria obrazująca za pomocą kamery CCD jako detektora. Zapewnia to kontrast obrazu w czasie rzeczywistym, który dostarcza informacji na temat grubości i współczynniku załamania światła. Zaawansowana technologia tego rodzaju elipsometrii działa na zasadzie klasycznej zerowej elipsometrii i obrazowaniu w czasie rzeczywistym. Elipsometria ta jest oparta na koncepcji zerowania. W elipsometrii, badana warstwa umieszczana jest na odblaskowym podłożu. Film i podłoża mają różne indeksy załamania. W celu uzyskania danych o grubości warstwy, światło odbijające się od podłoża musi być zerowane. Jest to osiągnięte poprzez regulację analizatora i polaryzatora, aby całe światło odbite od podłoża zostało wygaszone. Ze względu na różnicę współczynników załamania, pozwola to próbce stać się bardzo jasną i wyraźnie widoczną. Źródło światła składa się z lasera monochromatycznego o pożądanej długości fali. Powszechną długością fali, która jest używana jest 532 nm zielonego światła. Ponieważ tylko natężenie światła jest potrzebne, prawie każdy rodzaj kamery może być zaimplementowany jako CCD, która jest przydatna w przypadku budowy elipsometr z części. Zazwyczaj ellipsometry obrazujące są skonfigurowane w taki sposób, że laser, wystrzeliwuje wiązke światła, która przechodzi bezpośrednio przez polaryzator liniowy. Liniowo spolaryzowane światło przechodzi przez kompensator ćwierćfalowy, który przekształca światło w eliptycznie spolaryzowane światło. To eliptycznie spolaryzowane światło następnie odbija się od próbki, przechodzi przez analizator i zobrazowane zostaje na kamerze CCD.

Ukierunkowanie kątów polaryzatora i kompresora jest wybrane w taki sposób, że światło spolaryzowane eliptycznie jest całkowicie liniowo spolaryzowanego po odbiciu się od próbki. Dla uproszczenia kolejnych obliczeń kompensator może być ustawiony pod kątem 45 stopni w stosunku do płaszczyzny padania promienia laserowego. Ten zestaw wymaga obracania analizatora i polaryzatora w celu uzyskania zerowych warunków. Elipsometryczny stan zerowy uzyskuje się, gdy analizator jest prostopadły w stosunku do osi polaryzacji światła odbitego oraz osiągnięta zostaje całkowita destrukcyjna interferencja, jest to stan, w którym jest wykrywane absolutne minimum strumienia światła na kamerze CCD. Kąty polaryzatora, kompenstaroa i analizatora otrzymane stosowane są do określenia wartości Ψ i Δ materiału.

W którym A i P są kątami analizatora i polaryzatora przy zerowych warunkach. Przez obracanie analizatora i polaryzatora, oraz mierząc zmiany w intensywności światła nad obrazem, analiza danych pomiarowych przy użyciu komputerowego modelowania optycznego, może zostać prowadzona do odliczenia przestrzennej grubości cienkiej warstwy i złożonych wartości współczynnika załamania światła.

Ze względu na fakt, że obrazowanie jest wykonywane pod kątem, tylko niewielka linia całej powierzchni widzenia jest w ost5rrości. Linia ostrości może być przesuwana wzdłuż pola widzenia przez ustawienie ostrości. W celu przeanalizowania całego interesujacego obszaru zainteresowania, nacisk musi być stopniowo przesuwany wzdłuż tego obszaru z wykonaniem w każdej pozycji zdjęcia. Wszystkie obrazy są następnie zebrane w jednym, ostrym obrazie próbki.

Elipsometria In situ

Elipsometria in situ odnosi się do pomiarów dynamicznych w procesie modyfikacji próbki. Procesem tym może być, na przykład, wzrost cienkich warstw, trawienie i oczyszczanie próbki. Dzięki pomiarom elipsometrią in situ można określić podstawowe parametry procesu, takie jak wzrost lub trawienia, zmiana właściwości optycznych w czasie. Pomiary in situ wymagają szeregu dodatkowych rozważań: Miejsce próbki zwykle nie jest tak łatwo dostępne jak dla pomiarów ex situ na zewnątrz komory procesowej. Dlatego konfiguracja mechaniczna musi być regulowana, a więc musi zawierać dodatkowe elementy optyczne (lustra, pryzmaty, lub soczewki) dla przekierowania lub ogniskowania wiązki światła. Ze względu na warunki środowiskowe w procesie może to być trudne, wrażliwe elementy optyczne muszą być oddzielone od gorącego obszaru. W najprostszym przypadku odbywa się to przez optyczne porty, właściwości osłon okien też musza byc brane pod uwagę lub zminimalizowane. Ponadto, próbki mogą być w podwyższonych temperaturach, co oznacza różne właściwości optyczne w porównaniu do prób, w temperaturze pokojowej. Mimo tych wszystkich problemów, pomiary in situ stają się coraz bardziej istotne dla techniki sterowania procesem osadzania cienkich warstw i modyfikacji narzędzi. Elipsometria in situ może być typu jednej długości fali lub typu spektroskopowego. Spektroskopowa elipsometria in situ może stosować detektory wielokanałowe dla CCD, które mierzą parametry elipsometryczne dla wszystkich długości fal w badanym zakresie widma jednocześnie.

Elipsometria porowatości

Elipsometria porowatości mierzy zmiany właściwości optycznych i grubości materiałów podczas adsorpcji i desorpcji lotnych gazów pod ciśnieniem atmosferycznym lub pod zmniejszonym ciśnieniem, w zależności od zastosowania. Technika PE jest unikalna pod względem zdolności do pomiaru porowatości bardzo cienkich warstw w dół do 10 nm, jej powtarzalności i szybkości pomiaru. W porównaniu do tradycyjnych porozymetrów, ten typ elipsometrii jest dobrze przystosowany do bardzo cienkich warstw wielkości porów i pomiaru rozkładu wielkości porów. Porowatość warstw jest kluczowym czynnikiem w technologii opartej na krzemie przy użyciu materiałów o niskim k, przemysłu organicznego (kapsułkowane organiczne diod elektroluminescencyjnych), jak również w przemyśle powlekania za pomocą techniki zol żel.

Magneto-optyczna uogólniona elipsometria

Magneto-optyczna uogólniona elipsometria (MOGE) to zaawansowana technika spektroskopowej elipsometrii w podczerwieni do badania właściwości wolnych nośników w przewodzących próbkach. Dzięki zastosowaniu zewnętrznego pola magnetycznego, możliwe jest określenie niezależnie parametrów gęsości, parametrów optycznych i parametrów masy wolnych nośników ładunku. Bez pola magnetycznego tylko dwa z trzech wolnych parametrów nośników ładunków można wyodrębnić w sposób niezależny.

Aplikacje

Technika ta znalazła zastosowanie w wielu różnych dziedzinach, od fizyki półprzewodników do mikroelektroniki i biologii, od badań podstawowych do zastosowań przemysłowych. Elipsometria jest bardzo czułą techniką pomiaru i zapewnia niezrównane możliwości w zakresie metrologii cienkich warstw. Jako technika optyczna, spektroskopowa elipsometria jest nieinwazyjna i bezkontaktowa. Ponieważ padające promieniowanie mona skoncentrować, próbki o małych rozmiarach można zobrazować i pożądane cechy mogą zostać wyznaczone na większej powierzchni (m2).

Zalety

Elipsometria ma wiele zalet w porównaniu do standardowych pomiarów intensywności odbicia:

  • Elipsometria mierzy co najmniej dwa parametry przy każdej długości fali widma. Jeśli uogólniona elipsometria jest stosowana to do 16 parametrów może być mierzone na każdej długości fali.
  • Elipsometria mierzy współczynnik intensywności zamiast czystych intensywności. Zatem elipsometria ma mniejszy wpływ niestabilności natężenia źródła światła lub absorpcji atmosferycznej.
  • Za pomocą światła spolaryzowanego, niespolaryzowane światło otoczenia nie wpływa znacząco na pomiar.
  • Nie ma pomiaru odniesienia.
  • Zarówno rzeczywiste jak i urojone części funkcji dielektrycznej (lub złożonego współczynnika załamania) można wyjąć bez konieczności przeprowadzenia analizy Kramers-Kronig.

Elipsometria jest szczególnie istotna w przypadku pomiarów odbicia badając próbki anizotropowe.